Кавитация и суперкавитация

Кавитацией называют локальное обратимое парообразование в потоке жидкости, вызванное снижением статического давления ниже давления насыщенного пара данной жидкости. Такая кавитация по своей природе является паровой кавитацией. Однако, при определённых условиях может возникать и газовая кавитация – локальное выделение газов, растворённых в воде. В сегодняшней лекции мы уделим внимание паровой кавитации.

Термин кавитация введён английским инженером Фрудом в 1894 году. Пузырьки, возникающие при кавитации, называют кавитационными пузырьками или кавернами. Они заполнены насыщенным паром или смесью насыщенного пара и газов, которые были растворены в данной жидкости. Размеры кавитационных пузырьков могут быть от микроскопических до громадных каверн, практически полностью заполняющих близлежащее пространство. Количество пузырьков может быть огромным: миллионы и миллиарды мельчайших пузырьков.

Жизнь кавитационных пузырьков быстротечна. Вначале они растут, увеличиваются в объёме, соединяются вместе, но через мгновение, когда они переносятся потоком жидкости в область пониженных скоростей и повышенных давлений, они исчезают, схлопываются, пар внутри них конденсируется снова в жидкость, и каверна исчезает.

Физическая природа паровой кавитации аналогична явлению кипения жидкости. По сути паровая кавитация и есть кипение жидкости, которое возникает при несколько иных условиях, нежели кипение воды в чайнике.

Для всех жидкостей (например, вода, жидкий кислород или водород) между температурой и давлением насыщенного пара существует однозначная монотонная зависимость. Давление насыщенного пара растёт с ростом температуры.

При атмосферном давлении температура парообразования воды (температура кипения, кавитации) равна. Для того, чтобы вода закипела при температуре , давление должно упасть до 10 кПа, в 10 раз ниже атмосферного, см. график. Если в потоке жидкости в каком-то месте давление снизится до давления насыщенных паров при данной температуре, то может произойти «холодное» вскипание жидкости – кавитация.

Самой распространённой причиной возникновения кавитации в технике является локальное уменьшение давления при увеличении скорости, например, при местном сужении потока в диафрагме или сопле.

Вспомним теорему Бернулли, её физический смысл и математическое выражение. Полная удельная механическая энергия идеальной жидкости остаётся неизменной:

(1)

Если скорость в узком сечении трубопровода, там, где стоит мерная диафрагма или сопло, резко возрастает, то неизбежно снижается давление – это следует из уравнения (1).

Визуализация процесса кавитации позволяет увидеть, где начинают образовываться кавитационные пузырьки, и где они снова превращаются в жидкость.

И ещё одно замечание. Не важно, что послужило причиной снижения давления ниже давления насыщенного пара, само движение жидкости, или движение твёрдого тела в ней – важно изменение величины скорости и связанное с этим изменение давления.

На интенсивность и динамику образования кавитационных пузырьков очень большое влияние оказывают растворённые в жидкости газы, которые интенсивно выделяются внутрь пузырьков, увеличивая их диаметр. Этим обстоятельством объясняется резкое повышение температуры газа и пара внутри пузырьков, на несколько сот градусов.

При перемещении кавитационного пузырька в область медленного течения, где давление вновь возрастает, происходит схлопывание пузырька и конденсация насыщенного пара, что сопровождается излучением ударной волны, точечным повышением давления до громадных значений, возникновением шума и вибрации. В результате этих явлений разрушается поверхность проточной части гидромашин и, в особенности, их рабочих органов: лопаток, винтов. Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов.

Рабочее колесо центробежного насоса, разрушенное кавитацией.

Поверхность вала, подвергшегося воздействию кавитации

Воздействие кавитации на лопасти гребного винта.

Разрушительное действие кавитации, эрозия, шум и вибрация заставляют конструировать гидромашины так, чтобы на эксплуатационных режимах кавитации не было.

Кавитационным запасом насоса (или надкавитационным напором на входе) называют превышение полного напора на входе в насос над напором, соответствующим давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости .

(2)

Рассмотрим фрагмент насосной установки и применим уравнение Бернулли к двум сечениям 0-0 и 1-1.

(3)

Отсюда можно выразить кавитационный запас :

(4)

Кавитационный запас может изменяться в процессе эксплуатации насоса по ряду причин:

- изменение уровня откачиваемой жидкости в приёмном баке,

- поднятие насоса над свободной поверхностью откачиваемой жидкости,

- изменение температуры откачиваемой жидкости,

- изменение давления над свободной поверхностью откачиваемой жидкости,

- изменение гидравлических потерь во всасывающей линии насоса.

При снижении кавитационного запаса на входе в насос условия для кавитации возникают, прежде всего, внутри насоса на передних кромках лопаток, вращающихся с большой скоростью. Именно здесь может начаться кавитация. Сначала кавитация проявляется незначительно, образовавшиеся кавитационные пузырьки существуют мгновения и через несколько сантиметров и миллисекунды схлопываются без заметных эффектов. Однако, даже незначительные проявления кавитации немедленно сказываются на напоре насоса, который плавно начинает снижаться.

Первым критическим кавитационным запасом называют кавитационный запас, которому соответствует снижение напора насоса на 3%. Если кавитационный запас продолжает снижаться, то кавитация стремительно развивается, а напор быстро уменьшается вплоть до резкого срыва.

Вторым критическим кавитационным запасом называют кавитационный запас, которому соответствует срыв напора и мощности насоса.

Кавитационной характеристикой насоса называют зависимость напора и мощности от кавитационного запаса при постоянной подаче и частоте вращения. Типичный вид кавитационной характеристики представлен на рисунке слева.

Кавитационные характеристики насоса получают экспериментальным путём в ходе кавитационных испытаний при постоянной частоте вращения и постоянной подаче.

На основании кавитационной характеристики конструктор может обосновать рекомендации по величине допустимого кавитационного запаса, выбирая его, как правило, больше первого критического кавитационного запаса на 10-30%.

(5)

Полезное применение кавитации.

Явление кавитации применяют в технике и в медицине для совершенствования технологических процессов:

- в технологии ультразвуковой очистки поверхностей твёрдых тел,

- в технологических процессах гомогенизации смесей в промышленных смесителях,

- в измельчителях твердых включений в тяжёлые топлива,

- в генераторах водно-мазутных и водно-топливных эмульсий и смесей,

- в устройствах для снижения вязкости углеводородного топлива,

- в медицине для уничтожения камней в почках (литотрипсия), лечения целлюлита, ультразвуковой липосакции и др.

Суперкавитация.

Кавитационное течение жидкости характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

(6)

где

— гидростатическое давление жидкости, Па;
— давление насыщенных паров жидкости при температуре жидкости, Па; — плотность среды, кг/м³;

— скорость потока на входе в систему, м/с.

Для сплошного однофазного потока жидкости число кавитации больше единицы.

Кавитационный (двухфазный) поток наблюдают при числах кавитации, равных 1.

Плёночное течение жидкости с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока наблюдают при .

Если же число кавитации , то наблюдают чрезвычайно интересное явление – суперкавитацию, когда интенсивность кавитации столь велика, что образуется огромная каверна, то-есть пузырь, обволакивающий тело, породившее эту кавитацию.

Суперкавитация была впервые применена в нашей стране для создания сверхскоростных торпед «Шквал». Они находятся на вооружении с 1977 года. До сих пор оружие не имеет аналогов, а многие детали остаются секретными.

Схема ракеты-торпеды «Шквал» в разрезе

http://moole.ru/blog/americos/news/33245-khlyst-posejjdona-supertorpeda.html

В носовой части торпеды «Шквал» расположена специальная деталь – кавитатор. Это эллиптической формы плоская толстая пластина с заточенными краями. Кавитатор наклонен к оси торпеды для создания подъемной силы на носу. При достижении определенной скорости (около 80 м/с) вблизи края пластины число кавитации становится существенно меньше 1, наступает режим суперкавитации, и образуется гигантский «пузырь», обволакивающий торпеду. При этом гидродинамическое сопротивление движению значительно уменьшается. Кроме кавитатора в носовой части расположены отверстия - дюзы, через которые каверна «надувается» от отдельного газогенератора. Это позволяет увеличить каверну и охватить ею весь корпус торпеды – от носа до кормы.

Скорость обычных торпед составляет 110-130 км/ч, в то время как «Шквал» может развивать под водой скорость до 370 км/ч – абсолютный мировой рекорд для подводного объекта. От торпеды «Шквал» не успевает уклониться с помощью маневра ни один крупный корабль. Изюминка «Шквала» – в эффекте суперкавитации. На самом деле, «Шквал» – скорее ракета, чем торпеда (иногда его так и называют – «ракета-торпеда»), и она не плывет, а летит в газовом пузыре (каверне), который сама и создает. И двигатели у «Шквала» – реактивные. Один из разработчиков, присутствовавший при испытаниях на озере Иссык-Куль, рассказал: «На что похож запуск «Шквала»? Представьте себе, как будто бог морей Посейдон взял в руки хлыст: свист и грохот, а затем очень быстро убегающий вдаль прямой, как стрела, след от хлыста на водной глади».

В 2006 году в США сделана попытка применить суперкавитацию для создания скоростных субмарин. Обычные подводные лодки имеют скорость 45-60 км/ч. Проектная скорость суперкавитационной подводной лодки проекта Underwater Express втрое превышает обычную скорость и достигает 185 км,ч.

Первые испытания намечено провести на модели 1:4.

Дата добавления: 2014-01-20